機(jī)械系統(tǒng)的載荷特性及動力機(jī)的選擇

1、機(jī)械系統(tǒng)的載荷特性及動力機(jī)選擇原則 本章介紹機(jī)械系統(tǒng)的載荷特性及動力機(jī)選擇，掌握機(jī)械系統(tǒng)的載荷特性及動力機(jī)選擇原則  載荷類型 機(jī)械設(shè)計(jì)中載荷的組合及其類別工作載荷的確定方法 1）按作用形式分 直接作用載荷-載荷以力或力矩形式直接作用在機(jī)器上；如由工作阻力產(chǎn)生的載荷、慣性載荷、風(fēng)載荷、驅(qū)動力、制動力等。間接作用載荷-以變形的形式間接作用在機(jī)器上；如溫度、地震的作用引起的載荷。對于絕大多數(shù)的機(jī)器來說，直接作用的載荷是主要的。 2）按照載荷產(chǎn)生的來源分(1) 工作載荷 由機(jī)器工作阻力產(chǎn)生的載荷。工作載荷是各種機(jī)器最重要最基本的載荷。(2) 動力載荷 動力載荷

2、包括慣性載荷、振動載荷和沖擊載荷。當(dāng)機(jī)器或機(jī)器的某機(jī)構(gòu)運(yùn)動速度的大小或方向發(fā)生變化時(如起動或制動)將產(chǎn)生慣性載荷。(3) 自重載荷 設(shè)備自身重量產(chǎn)生的載荷。(4) 風(fēng)載荷 具有一定質(zhì)量的空氣以一定速度流動被結(jié)構(gòu)物表面阻擋時，對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生壓力。(5) 溫度載荷 溫度變化使構(gòu)件熱脹冷縮，當(dāng)構(gòu)件的脹縮受到約束時，在構(gòu)件中產(chǎn)生附加力。(6) 水力載荷 水對構(gòu)件產(chǎn)生的壓力和流動阻力等。 3）按載荷是否隨時間變化分靜載荷 指大小，位置和方向不變的載荷。在工程中大多數(shù)機(jī)械承受的都是變載荷，嚴(yán)格意義的靜載荷是很少見的，但在設(shè)計(jì)上常把變化不大或變化速度緩慢的載荷，近似地作為靜載荷來處理變載荷 指隨時

3、間有顯著變化的載荷。一般機(jī)械承受的變載荷主要有周期載荷，沖擊載荷和隨機(jī)載荷等幾種。a）周期載荷載荷的大小是隨時間作周期性變化的，它可用幅值、頻率和相位角三個要素來描述。b）沖擊載荷載荷作用時間短，而且幅值較大，例如，鍛錘在錘打坯料時所受的載荷就屬于沖擊載荷。在設(shè)計(jì)中對于數(shù)值較小，頻率較高的多次沖擊載荷，常按一般的周期載荷來處理。c）隨機(jī)載荷載荷的幅值和頻率都是隨時間變化的，且變化規(guī)律不能用一個函數(shù)確切地進(jìn)行描述，只能應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法才能獲得它們的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。  電動機(jī)液壓馬達(dá)  氣動馬達(dá)內(nèi)燃機(jī) 電動機(jī)在額定電壓和額定頻率下工作，并按規(guī)定的接線方法，定子和轉(zhuǎn)子電路中不

4、外接電阻，此時獲得的機(jī)械特性稱為電動機(jī)的固有機(jī)械特性。右圖是電動機(jī)的機(jī)械特性曲線。根 據(jù)轉(zhuǎn)矩增加使電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降的程度不同，電 動機(jī)的機(jī)械特性分為硬特性和軟特性兩類。同 步電動機(jī)、一般交流異步電動機(jī)和直流并激電動機(jī)屬于硬特性， 即其負(fù)載轉(zhuǎn)矩在允許范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn) 速變化不大，而且同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可保持恒定。轉(zhuǎn)子回路串電阻的交流繞線型異步電動機(jī)和直流串激電動機(jī)則屬于軟特性，即隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速顯著下降，但是它們的起動轉(zhuǎn)矩比較大。 電動機(jī)改變某些參數(shù)時獲得的機(jī)械特性稱為人為機(jī)械特性。可通過降低供電電壓、在轉(zhuǎn)子或定子電路內(nèi)串接對稱電阻及在轉(zhuǎn)于電路接入并聯(lián)電阻等方法，獲得人為機(jī)械特性

5、。交流電動機(jī)根據(jù)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速是否相同，分為同步電動機(jī)和異步電動機(jī)兩種。同步電動機(jī)是一種用交流電流勵磁建立旋轉(zhuǎn)的電樞磁場，用直流電流勵磁構(gòu)成旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁極，依靠電磁力的作用旋轉(zhuǎn)磁場牽著旋轉(zhuǎn)磁極同步旋轉(zhuǎn)的電動機(jī)。同步電動機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是能在功率因數(shù)為1的狀態(tài)下運(yùn)行，不需從電網(wǎng)吸收無功功率。三相異步電動機(jī)使用三相交流電源，是生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的一種電動機(jī)，它的品種很多，主要分類如下：(1)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式分類 根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)型式可分為籠型電動機(jī)和繞線型電動機(jī)。(2)按外殼結(jié)構(gòu)形式分類 根據(jù)外殼結(jié)構(gòu)形式可分為開啟式、防護(hù)式、封閉式和防爆式。(3)按安裝型式分類 按不同的安裝型式可分為立式、臥式

6、及帶有特殊安裝結(jié)構(gòu)等型式，以適應(yīng)各種不同的安裝需要。此外，還有齒輪減速異步電動機(jī)，電磁調(diào)速異步電動機(jī)、異步整流子變速電動機(jī)等多種類型。直流電動機(jī)需使用直流電源，與交流電動機(jī)相比，它具有調(diào)速性能好、調(diào)速范圍寬，起轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)。  電動機(jī)作為動力機(jī)時具有以下特點(diǎn)：1、較其他動力機(jī)有較高的驅(qū)動效率。2、與被驅(qū)動的工作機(jī)械聯(lián)接簡便。3、種類和型號較多，并具有各種運(yùn)行特性，可滿足不同類型機(jī)械的工作要求。4、電動機(jī)還具有良好的調(diào)速性能，起動、制動，反向和調(diào)速的控制簡便，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的測量和控制，便于集中管理和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。5、但使用電動機(jī)必須具備相應(yīng)的電源，對野外工作的機(jī)械及移動式機(jī)械

7、常因缺乏所需電源而不能選用。液壓馬達(dá)作為動力機(jī)時具有以下特點(diǎn)：1、可以獲得很大的機(jī)械力或轉(zhuǎn)矩。2、與電動機(jī)相比在相同功率時的外形尺寸小、重量輕，因而運(yùn)動件的慣性小，快速響應(yīng)的靈敏度高。3、液壓馬達(dá)可以通過改變油量來調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度，傳動比較大，低速性能好，容易實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，操作和控制都比較簡便，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工藝過程的動作并滿足其性能要求。4、但使用液壓馬達(dá)必須具有高壓油的供給系統(tǒng)，應(yīng)使液壓系統(tǒng)元件有必要的制造和裝配精度，否則容易漏油，這不僅影響工作效率，而且還影響：工作機(jī)械的運(yùn)動精度。使用氣動馬達(dá)作為動力機(jī)時具有以下特點(diǎn)：1、與液壓馬達(dá)相比較，因用空氣作為工作介質(zhì)，容易獲得，用后的空氣可直接

8、排入大氣而無污染，壓縮空氣還可以進(jìn)行集中供給和遠(yuǎn)距離輸送。2、氣動馬達(dá)動作迅速、反應(yīng)快、維護(hù)簡單、成本比較低，對易燃，易爆、多塵和振動等惡劣工作環(huán)境的適應(yīng)性較好。3、但因空氣具有可壓縮性，因此氣動馬達(dá)的工作穩(wěn)定性差，氣動系統(tǒng)的噪聲較大，又因工作壓力較低，輸出的轉(zhuǎn)矩不可能很大，一般只適用于小型和輕型的工作機(jī)械。使用內(nèi)燃機(jī)作為動力機(jī)時具有以下特點(diǎn)：1、具有功率范圍寬，操作簡便，起動迅速和便于移動等優(yōu)點(diǎn)，大多用于野外作業(yè)的工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械以及船舶，車輛等。2、主要缺點(diǎn)是需要柴油或汽油作為燃札通常對燃料的要求也比較高，特別是高速內(nèi)燃機(jī)需使用潔凈度高的汽油和輕質(zhì)柴油，內(nèi)燃機(jī)的排氣污染和噪聲都較大，在結(jié)構(gòu)上也比較復(fù)雜，而且對零部件的加工精度要求較高。在設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)時，應(yīng)選用何種形式的動力機(jī)，主要應(yīng)從以下三個方面進(jìn)行分析比較：1）分析工作機(jī)械的負(fù)載特性和要求，包括工作機(jī)械的載荷特性、工作制度，結(jié)構(gòu)布置和工作環(huán)境等。2)分析動力機(jī)本身的機(jī)械特性，包括動力機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等特性，以及動力機(jī)所能適應(yīng)的工作環(huán)境。應(yīng)使動力機(jī)的機(jī)械特性與工作機(jī)械的負(fù)載特性相匹配。3)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性的比較，當(dāng)同時可用多種類型的動力機(jī)進(jìn)行驅(qū)動時，經(jīng)濟(jì)性的分析是必不可少的，包括能源的供應(yīng)和消耗，動力機(jī)的制造，運(yùn)行和維修成本的對比等。除上述三方面外，有些動